UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
EXPLORACION GEOTECNICA Y ENSAYOS DE LABORATORIO Jorge Jor ge E. Alva Alva Hur Hurtad tado, o, PhD PhD Profesor Principal
CONTENIDO INTRODUCCIÓN METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA ENSAYOS DE LABORATORIO CONCLUSIONES
CONTENIDO INTRODUCCIÓN METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA ENSAYOS DE LABORATORIO CONCLUSIONES
METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO - Recopilación de información: sismicidad, topografía, etc.
hidrología,
geología,
- Reconocimiento geológico y de sitio: interpretación del origen y formación de suelos, evaluación geológica, interpretación de posibles condiciones del subsuelo. - Planificación de la exploración y muestreo: permite ubicar y cuantificar cuantificar el número de de sondajes sondajes y optimizar optimizar el el muestreo. muestreo.
METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO - Ejecución de la exploración y muestreo: ejecución de sondajes y obtención de muestras disturbadas e inalteradas. - Ejecución de ensayos de laboratorio: para determinación de los parámetros de los materiales.
la
- Interpretación de la investigación geotécnica: evaluación de los datos de campo y laboratorio. - Análisis y diseño geotécnico
EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO • Exploración a través de pozos abiertos y posteadora
• Exploración con ensayos de penetración estándar (SPT)
• Exploración con ensayos de penetración tipo cono holandés (CPT)
EXPLORACIÓN DE CAMPO CON CALICATAS Y POSTEADORA
EXPLORACIÓN DIRECTA CON CALICATAS - Excavación manual con pico y lampa - Excavación con equipo mecánico
Ventaja: - Extracción de muestras disturbadas e inalteradas - Visualización directa de la estratigrafia
Desventaja: - Profundidad limitada - Paredes inestables ante la presencia de agua
EXPLORACIÓN DIRECTA CON POSTEADORA - Posteadora manual - Posteadora mecánica
Equipo: Tubería, una T y en su parte inferior una mecha
Ventaja: - Auscultación rápida del terreno
Desventaja: - No se extraen muestras inalteradas - Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas
10 cm
Extensión
POSTEADOR O 3" - 8" Post hole Digger
O 2" - 3 1/2"
EXPLORACIÓN DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - (SPT)
A) GENERALIDADES Procedimiento ampliamente utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos.
B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO Ejecución de la perforación - con barrenos (posteadora) - a rotación - por lavado “wash boring”
Ejecución del muestreo Se realiza con un muestreador de caña partida
C) REGISTRO DE PENETRACIÓN Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar los últimos 30 cm de un total de 45 cm.
D) INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS La resistencia a la penetración es un indicador de la compacidad de suelos arenosos y un indicador de la consistencia y resistencia de suelos cohesivos.
PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING” Polea para la soga Trípode de tubos 2 1/2” Soga
” Elevador Mango para rotación parcial de la barra
SOSTENEDOR DE BARRAS
BARRA CON UNION
Manguera Bomba Terreno Natural Motor con caja reductora
Depósito de agua de lavado ELEVADOR
Forro Barra de perforación Cincel
CINCEL RECTO
CINCEL DE CRUZ
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT Trípode de Tubo de diámetro 2 1/2”
Martillo
Guía de hinca Cadena de fierro Guía Cabezal de hinca
1/2”
MARTILLO Cuchara
CUCHARA 2” - 4 1/2”
ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT) Norma Funciones
: ASTM D1556 : Determinación de la consistencia y resistencia cortante de los suelos en profundidad. Procedimiento : - Ejecución de la Perforación - Ejecución del Muestreo
Suelos Adecuados para la Ejecución del Ensayo - Arenosos - Limo Arenosos - Areno Limosos - Arcillas Suelos Inadecuados para el Ensayo - Aluvionales - Aluviales - Suelos Gravosos y Heterogéneos con Gravas
EVALUACION DE LA COMPACIDAD RELATIVA Y RESISTENCIA DE LOS SUELOS COHESIVOS COMPACIDAD RELATIVA DE LA ARENA Número de Golpes del SPT 0–4 5 – 10 11 – 20 21 – 30 31 – 50 Más de 50
Compacidad Relativa Muy Suelta Suelta Firme Muy Firme Densa Muy Densa
RESISTENCIA DE LOS SUELOS COHESIVOS N° de Golpes del SPT
Consistencia
Resistencia a la Compresión Simple en (Kg/cm2)
<2 2–4 4–8 8 – 15 15 – 30 > 30
Muy Blanda Blanda Media Firme Muy Firme Dura
< 0.25 0.25 – 0.50 0.50 –1.00 1.00 – 2.00 2.00 – 4.00 < 4.00
DIVERSOS FACTORES DE CORRECCION SEGÚN DIVERSOS AUTORES Referencia
Teng (1962)
Factor de Corrección CN
C N =
Bazaraa (1967)
C N =
Peck Hansen, y Thourburn (1974)
C N = 0.77 log10
Seed (1976)
C N = 1 − 1.25 log10 σ V
Seed (1979)
Ver Fig. 1(b)
σ V ≤ 1.5
ksf
Sin embargo, se propone un factor de corrección simple el cual es comparable con cualquiera de las indicadas en la tabla anterior.
4 σ V > 1.5 3.25 + 0.5 σ V
1.7 C N = 0.7 + σ V
v
psi
50 10 + σ V 4 1+ 2 σV
Tokimatsu y Yoshimi (1983)
Unidad de
20 σV
tsf
El factor propuesto para la corrección del valor del SPT es:
tsf
2
Kg/cm
C N =
1
< 2.0 en Kg/cm2
σ v
(Liao y Whitman, 1991)
RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES “N” Y LA CONSISTENCIA DE LAS ARCILLAS
Arcilla
N 2 q u = (kg / cm ) 8
Terzaghi
Arcilla limosa
N 2 q u = (kg / cm ) 5
Terzaghi y Peck
Arcilla areno limosa
N 2 q u = (kg / cm ) 8
Terzaghi y Peck
Para todas las arcillas
q u = 1.33 N (kg / cm 2 )
Graux
A: Muy Blanda B: Blanda C: Medianamente Compacta D: Compacta E: Muy Compacta F: Dura
30 25 20 N
N 8
qu =
15 10 5 0
1
2
3
4 qu (Kg/cm2)
A B
C
D
E
F
Correlación N - qu y consistencia para arcillas Terzaghi y Peck
APLICACIONES DEL ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR A) Determinación de la Capacidad Portante (Suelos Granulares) 1.0
1.0
0.9
0.9
0.8
0.8
W
R
La capacidad de carga última (qu) de un suelo (Terzaghi y Peck) puede establecerse a partir de las siguientes relaciones:
0.7
w
w
0.7
R
0.6 0.5
N 2)
qult = 2NB Rw + 6 (100 + DRw (Zapatas cuadradas) qult = 3NB Rw + 6 (100 + N 2) DRw (Zapatas continuas)
0.6
0
0.2
0.4 0.6 da / D
0.8
1.0
0.5
0
0.2
0.4 0.6 db / B
0.8
1.0
B
en la que:
h
(qult) : capacidad de carga última B : ancho de la fundación en pies D : profundidad de la fundación (pies) Rw y Rw: factores de corrección por la posición de la napa freática propuesto por TENG
NF D da
B
db NF
Factores de Corrección por Posición de la Napa Freática
B) Determinación de la Capacidad Portante (Suelos Finos)
Relaciones entre qadm, N y la Consistencia para Suelos Finos (Terzaghi y Peck)
Consistencia del Suelo Muy blando Blando Mediano Compacto Muy compacto Duro
(N) SPT 0-2 2-4 4-8 8-15 15-30 >30
Capacidad de Carga Admisible (T/pie2) zap.cuadrada zap. continua 0.00 – 0.30 0.00 – 0.22 0.30 – 0.60 0.22 – 0.45 0.60 – 1.20 0.45 – 0.90 1.20 – 2.40 0.90 – 1.80 2.40 – 4.80 1.80 – 3.60 Mayor que 4.80 Mayor que 3.60
NSPT 32
30
SOWERS arcilla de baja plasticidad
25 20 15
27 Arcilla de plasticidad media
TERZAGHI y PECK
Rígida
Muy Dura
16 Dura
10
Arcilla de alta plasticidad
5
8 4 2
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Firme Blanda Muy Blanda
Su (tsf)
Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada (Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades (ref. NAVFAC, 1971)
EXPLORACIÓN DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS - (CPT)
EXPLORACION QUASI ESTATICA CON EL CONO HOLANDES OBJETIVO: OBTENER RESISTENCIA POR PUNTA Y/O FRICCION LATERAL TIPOS DE PUNTA: DELF Y BEGEMANN DETERMINACION DE RESISTENCIA:
Resistencia por punta: qc=Qc/Ac Qc=Fuerza necesaria para hincar el cono en kg Ac=Area transversal del cono (10 cm²) qc=Resistencia de punta (kg/cm²)
Resistencia por fricción: fs=Fs/As Fs=Fuerza necesaria para hincar el cono y la funda (kg, en zonas que lo miden directamente (Fs=Rt-Qc) As=Area lateral del manguito, 150 cm² fs=(Rt-Qc)/Af Rt=Resistencia necesaria para hincar el cono y el manguito en kg, en conos que miden ambas variables
A) GENERALIDADES - Usado en Europa desde 1920 - En Estados Unidos desde 1960 - En el Perú desde 1984
B) DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO - Equipo de penetración estática - Tubería de acero de 1 m y barras sólidas interiores concéntricas (φext=3.6 cm y φ int= 1.6 cm) - Punta Cónica Se transmite la fuerza a través de las barras interiores y esta al cono, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta y/o fricción.
C) PUNTA DE PENETRACIÓN Punta DELFT - Punta cónica de 3.6 cm de diámetro y 10 cm2 de área - Se encuentra montada en el extremo inferior de una funda deslizante de 9.9 cm de longitud - El cono penetra debido a la fuerza axial de un vástago - Se mide la presión que transmite en la punta
Punta BEGEMANN - Punta cónica de 3.57 cm. de diámetro y 10 cm2 de área - Se encuentra montado en un pieza cilíndrica deslizante de 11.1 cm - Posee una funda de 13.3 de longitud y 3.6 cm de diámetro - Se mide la presión por punta y fricción
ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS Esquema de Punta Cónica 2 1
4
3
A
5
265 m m
12.5 m m
69 m m
133 m m
47 m m
60° 36
B
23 m m
35.7 m m
30 m m
32.5 m m
1
Punta Cónica
4 Copla
2
Funda cilíndrica
5 Barra sólida
3
20 m m
Funda de fricción
A
POSICION CERRADA
B
POSICION EXTENDIDA
D) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA qc =
QC c
donde : Qc = fuerza para hincar el cono en kg Ac = área transversal del cono qc = resistencia de la punta
f s =
FC c
donde : FS = fuerza para hincar el cono y la funda en kg AS = área lateral de la funda f S = resistencia por fricción
Resistencia de punta qc, kg/cm2 0
10
1
20
30
40
50
60
0.8 1.0
1.2
f s
2
qs
m , d a 3 d i d n u f 4 o r P
5
6 7 0
0.2
0.4 0.6
Resistencia de fricción f s, kg/cm2
GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA
Resistencia por punta del cono (tn/pie2) 0 0 2
m c / g k a v i t c e f e a g r a c e r b o s e d n ó i s e r P
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480
0.1
φ =
0.2
φ =
φ =
0.4 0.5
2 4 0 °
φ φ
0.6
φ
0.7
0.9
1
4 2 °
0.3
0.8
4 4 °
φ φ
φ
= = 3 2 0 8 ° °
= 3 2
= 3 4 °
= 3 6 °
= 3 8 °
°
3 4
5 6
1.0
CORRELACION DE PRESION DE SOBRECARGA EFECTIVA Y RESISTENCIA POR PUNTA DE CONO
E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION ESTANDAR
Tipos de Suelos Limos, limos arenosos, mezclas de limo arena-arena ligeramente cohesiva Arenas limpias a medias y arenas ligeramente limosa Arenas gruesas y arenas con algo de grava Gravas arenosas y gruesas
qc/N 2.0
3.5
5
6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL CISMID - LABORATORIO GEOTECNICO REGISTRO DE SONDAJES Solicitado : Proyecto : Ubicación: Fecha : Operador :
Revisado Cota Superficial Profundidad N.F.(m) Profundidad Total (m)
: : : : Ensayo de Penetración Estándar Gráfica de N N° golpes/30 cm.
CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETRO ESTATICO ELECTRONICO (Sanglerat, G., 1972) 300 ARENA GRUESA Y GRAVA
2
m c / g K , A T N U P E D A I C N E T S I S E R
ARENA
200 LIMO, ARCILLA
100 ARCILLA
TURBA
0 1
2
3
4
FRICCION LATERAL, kg/cm2
5
6
CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETRO ESTATICO (Sanglerat, J.H., 1977) 200
s a h (Compacta o Mezclas limo-arena, c cementada n arenas arcillosas o y limos c n o c s a Arena n e r A
2
m c / g K , c q A T N U P E D A I C N E T S I S E R
100
10
Arcillas inorgánica no sensitivas Muy duras Duras
(Suelta)
Medias Arcillas inorgánicas y mezclas de suelos
Blandas Muy blandas
2
1
2
3
4
5
6
RELACION DE FRICCION f s /qc, %
7
8
CLASIFICACION DE SUELOS BLANDOS O SUELTOS
50 2
m c / g K , a t n u p e d a i c n e t s i s e R
40
30
Arena gruesa y grava
Arena Limo, Arcilla Arcilla
20
10 Turba
0
0.5
1.0
Fricción lateral, Kg/cm2
1.5
2.0
AUSCULTACION DINAMICA DPL -5
REGISTRO DPL-5 N DPL-5
N SPT
EXPLORACIÓN INDIRECTA MEDIANTE REFRACCIÓN SÍSMICA
A) USO - Exploración rápida y económica de grandes áreas. - Permite obtener espesores de estratos y las velocidades de ondas P y de ondas S.
B) DEFINICIÓN - Medición de los tiempos de viaje de las ondas compresionales (P) y de las ondas de corte (S).
C) FUENTE DE ENERGÍA - Golpe de martillo o carga explosiva.
F) APLICACIONES - Determinación de la estratigrafia del subsuelo - Determinación de la profundidad del basamento rocoso - Determinación de parámetros dinámicos
4205
Línea 02 - 02
4185
) . m . n . s . m ( o n 4165 e r r e T l e d a t o C 4145
shot 0210
shot 0209
Intersección con la línea 01 shot shot 0208 0207
shot 0206
Línea 02 - 01 shot 0204 shot 0203
Vp = 900 - 1000 m/s
Material de Relave
shot 0202 shot 0201
LEYENDA
Vp = 2300 - 2500 m/s
TERRENO ESTRATO 1 ESTRATO 2 ESTRATO 3
Suelo Firme
SHOT
4125
0
20
40
60
80
Distancia (m)
Perfil Estratigráfico Presa de Relaves Casapalca
100
120
140
Cilindro de gas
Monitor
Regulador
Martillo de madera
Estaca
Amplificador
Registrador de datos
Carga
Ondas P
Ondas S
Tubo de PVC Transductor de 3 componentes
ESQUEMA DEL ENSAYO DE MEDICION EN POZOS DE ONDAS P Y S
Tiempo (segundos) 0.00
0.02
0.04
0.06
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 ) 7.0 m ( 8.0 d a 9.0 d i d 10.0 n u 11.0 f o r P 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 20.3 20.8
(Ondas P)
0.08
0.10
0.12
Tiempo (segundos) 0.00
0.04
0.08
0.12
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
) m ( d a d i d n u f o r P
5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 20.3 20.8
(Ondas S)
0.18
0.20
0.24
Tiempo (segundos) 0.000 0.0
0.020
0.040
0.060
2 6 0 m / s
0.080
0.100
Valor Observado Valor Corregido
5.0 ) m ( d a d i d n u f o r P
10.0
15.0
20.0
3 1 0 m / s
5 0 0 m / s
1 0 8 0 m /s
1800 m/s
(Ondas P)
Curvas Distancia - Tiempo
Tiempo (segundos) 0.000 0.0
5.0
) m ( d a 10.0 d i d n u f o r P
0.040
1 0 0 m / l
0.080
0.120
0.160
Valor Observado
1 2 0 m / s
Valor Corregido
1 0 0 m / s
1 8 0 m / s
15.0
1 9 0 m / s
20.0 400 m/s
(Ondas S)
Curvas Distancia - Tiempo
0.200
